陈佚 朱成 刘頔
摘 要：随著新能源汽车在全球的广泛应用，新能源技术的发展越来越得到各界的关注。而电池组是目前决定新能源汽车性能和续航能力的重要部分，因此提升动力电池的性能和确保电池组的工作可靠性、安全性是当前新能源汽车领域的关键研究课题。从目前的技术来看，冷却系统又是决定了动力电池性能的关键技术，所以本文通过对动力电池冷却系统的工作原理、作用以及四种冷却技术特点出发进行分析，探究冷却技术对动力电池的性能影响，从而为促进新能源汽车的发展研究提供一点有用的资料。
关键词：动力电池 空气 液体 热管 相变材料 冷却系统
1 引言
能源紧缺一直是当前世界所面临的最大困境，石油作为传统工业化的主要能源，其在生产和生活中起着关键性作用。而当前汽车的能源主要就是以石油的化工产品为主，但是随着汽车保有量的不断提升，对于原油的需求也日渐提升，再加上能源紧缺的问题，使得对于汽车行业的影响巨大。我国又是能源小国，主要原油都是来源于进口，一方面增加了我国的成本压力，另一方面也使我国的工业受到了能源的直接限制。为了进一步解决能源危机问题，我国大力提倡新能源的开发，其中以电力驱动的新型能源汽车，是我国大规模进入新能源应用的关键领域。使用新能源汽车，不仅可以解决传统汽车在使用过程中存在的微米级颗粒、氮氧化合物、硫氧化合物等对于自然环境的污染，同时也可以通过新能源的应用解决我国当前所面临的能源危机问题，还可以促进社会消费升级实现国民经济的增长。本文通过动力电池冷却系统的讨论，来分析当前在动力电池性能提升和可靠性保障方面的不足，希望可以为新能源的应用提供一些研究资料。
2 动力电池冷却系统的工作原理
新能源汽车的冷却系统包含了动力系统和供电系统的冷却，动力系统冷却是对驱动电机、控制器以及DC/DC等关系部分的冷却作用，而供电系统的冷却系统则是对动力电池和车载充电器的冷却作用。
动力电池在充放电过程中，由化学能转换为电能，再由电能转换为动能，由于能量的转换会产生热能，所以当这些热能无法及时释放的时候会使动力电池周边的温度升高，从而影响锂电池的理理稳定性而使性能下降。如果动务电池长期处于高温状态下，不仅会影响性能，还会影响电池的寿命，从而影响汽车的性能。此外，当出现极端天气时，也会对汽车动力电池的性能造成影响。在相关的研究成果中提到诸多热管理的方法，所以对动力电池采取热管理系统也重要环节。由于热管理系统的技术实验比较复杂，不仅会受到模型大小、流场扰动、人员操作以及准确度的影响，还存在成本高、周期长等劣势因素，因此往往采用CFD仿真系统来实现热管理系统的实验，从而实现预研的目的，该方案具有限制条件少、信息完整、成本低和周期短的优势。
3 动力电池冷却系统的作用
虽然当前动力电池的储能水平以及转换比已经获得了极大的提升，但是仍然是限制新能源汽车性能的关键环节，而动力电池的温度特性也对汽车的性能造成非常大的影响，其中包括对寿命的影响。而动力电池冷却系统的应用，使电池能够在适宜的环境下工作，从而保障汽车的性能。在炎热的夏天，电力驱动的汽车由于在电池放电过程中产生大量的热量，使电池的性能下降，如果再加上风道设计的不合理影响，还会进一步加剧问题严重性，还会提升汽车使用安全隐患。所以设计性能优良的冷却系统，可以最大限度的保障动力电池的安全性和设备性能。动力电池冷却系统正是利用了汽车电池组热量管理模型来对动力电池的温度进行调节，当电池温度低时提供热量，当电池温度高时进行冷却，使动力电池处于最佳的工作状态中，从而提升动力电池的性能。也就是说动力电池冷却系统的控制水平决定了动力电池的性能。
4 动电电池冷却系统技术
4.1 空气冷却电池技术
利用空气作为介质来对电池进行冷却作用的方式叫作空气冷却技术，其主要原理是利用流热交换模式来实现降温的目的。该冷却技术以设备简单、维护成本低、制造成本低廉等特点，因此在各类动力电池以及电子设备电池的保护装置中被广泛应用。该技术虽然成本低、应用便捷，但是会受到导热系统和空气比热容的影响，所以在实际应用过程中的冷却效果相对较差。而当前对于空气冷却电池技术的研究方向主要是在空气体积流量、流道以及电池空间规划三个方面。我国学者范德亮团队，就是利用流体力学的原理并通过仿真软件来对电池间距以电池组工作温度的影响进行了研究分析，从而找到了最佳的动力电池组间距可以弱化动力电池的集热现象，从而使温度的分布更加均匀。Ahmad等人也通过对串行和并行的电池组的排列方式对集热现象的影响研究，发现并行的排列方式的降低效果要比串行的排列方式更佳，且效果达到了将近两倍值。AHMADAP等人基于空气冷却电池技术的不足，提出了主动冷却管理技术，其是采用了先对空气介质进行冷却，再借助空气与电池热量之间的温差来增加空气对流从而实现对动力电池进行降温的作用。
4.2 液体冷却电池技术
采用液体介质来对动力电池进行降低冷却的技术叫液体冷却电池技术，通常是使用乙二醇和水的溶液再配合制冷剂来实现冷却效果的。该技术的优势是比热容大、换热系数高等特点，相比空气冷却技术来讲具有更好的降低温度的效果。在液体冷却电池技术中，又分为直接式和间接式，使用液体直接与电池进行接触的方式称这直接式，而使用冷却管或者冷却盘板的方式来对电池实施降温的方式称为间接冷却式。目前较为常见的技术研究方向是冷却剂组成优化、冷板或者盘管通道设计、液体流量的优化等方面。国内研究者安州建等人对研究了氢氟醚工质电子冷却介质NOVEC7000与传统的乙二醇冷却介质的冷却效果对比，发现使用新型冷却液可以将动力电池的工作温度维持在35摄氏度左右，而采用使用乙二醇混合溶液时则在电池工作一段时间后温度出现了明显的上升，说明新型冷却介质在冷却效果方面要有明显优势。
从各类研究成果的应用来看，液体冷却电池技术也存在一些缺点，包括直接式冷却技术虽然使用了不导电液体确保了使用的安全性，但是由于该类液体的黏度较大，因此在实际使用过程中会增加冷却系统的驱动负担从而影响系统工作稳定性。而使用间接式冷却技术，则由于使用了金属导管和冷却板，所以在实际应用中存在较大的能量损耗，造成降温效率下降，且当冷却管或者板破裂造成冷却液流出时会对电池造成短路风险，在安全性方面也存在不足。
4.3 熱管冷却电池技术
使用一种密封性良好的充满相变工质的空心管来利用蒸发器和冷凝器的方式实现降温作用的技术称为热管冷却电池技术。该技术的实现原理是在蒸发器吸收了充足的热量后，将封闭状态空心管毛细芯内的液体进行汽化，从而产生气压，并向冷凝器流动，而气体在经过冷凝器后会释放出热量又将汽体重新凝固为液体继续吸热，依次循环往复过程来实现降温的作用。该技术的原理就是液体转化为汽体时产生毛细作用，从而使管内的介质发生流动，实现循环蒸发的效果。目前对于汽车动力电池热管冷却技术的研究主要是在阿冷却性能模拟、阿伯发器冷凝器设备优化、数学模型设计等方面。研究者TRAN在借助小试验平台来模拟了单管型热管对汽车动力电池的冷却效果，从结果上看冷却的效果显著。国内研究者越振志等人也通过对热管冷凝长度和喷雾频率对降低冷却效果的影响的研究得出了，当动力电池组出现了升温过快现象时，可以采用增加冷凝端长度和喷雾频率的方式来实现快速降温的效果。可见，通过热管冷却电池技术在实际应用的优势和效果都比较明显。
4.4 相变材料冷却电池技术
相变材料实现电池组工作温度的降低是基于相变吸热的原理，其具有材料无毒无害、热稳定性好、成本低、使用方便的技术特点。相变材料冷却模式不需要通道设备、电气设备，因此系统安全性非常高。目前应用广泛成熟的相变材料主要为脂肪烃蜡油、改性费脱蜡、水合盐、有机酸化合物等。李国威等人使用脂肪烃蜡油/泡沫铜作为相变材料，搭建电池热管理系统，对汽车磷酸铁锂电池组进行模拟冷却实验。结果表明，搭建的这套冷却系统比空气冷却系统、纯石蜡相变冷却系统效果更佳，表现在电池工作温度降低幅度更大、电池组温度分布更均匀。王磊星等人对比了脂肪烃石蜡/泡沫铝相变材料的导热系数和冷却效率，结果表明这种复合相变材料的导热系数是纯脂肪烃石蜡的200多倍，实际冷却效率可以提高45.6%。
5 结论
电池组冷却技术在提高电池使用寿命、保障电池组工作安全、保证电池组工作效率的方面起到了重要作用。随着新能源汽车产业的发展，电动汽车使用的电池组电容量、电池模块数量逐渐增加，电池组工作时释放出的热量也增加，这对电池组冷却技术的性能要求也越来越苛刻。
挂靠课题：基金项目：中挪新能源汽车安全高效应用关键技术研究与示范（国家重点研发计划项目 课题编号：2019YFE0104700）
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